Отсюда следует: Q fp ( fпр). Данное определение добротности предос-

тавляет возможность ее экспериментального измерения.

5.6. Усилители

Для увеличения мощности сигналов с сохранением их формы используют усилители. Принцип действия усилителей основан на преобразовании энергии источника питания в энергию сигнала. Основную функцию преобразователя энергии выполняет усилительный элемент, способный с помощью небольшого входного сигнала управлять большой энергией источника питания. В качестве усилительного элемента используются электронные лампы, транзисторы, параметрические устройства и др. Усилительный элемент в сочетании с необходимыми для его работы элементами (сопротивлениями, конденсаторами, катушками индуктивности) представляет собой одну ступень усиления, называемую усилительным каскадом.

В зависимости от характера нагрузки и назначения различают усилители напряжения, тока или мощности. Однако такое разделение условно, так как в любом случае в конечном счете усиливается мощность сигнала.

Среди большого разнообразия типов усилителей, классификацию которых осуществляют по различным признакам [12], наибольший интерес с позиций спектрального анализа представляют усилители с ярко выраженными частотными свойствами. Среди них особого внимания заслуживают усилители широкополосные (импульсные) и узкополосные (избирательные).

К широкополосным относят усилители, ширина полосы пропускания которых соизмерима со средней частотой этой полосы. Они предназначены для усиления импульсных сигналов различной формы в частности, телевизионных видеосигналов. В структуре этих усилителей отсутствуют резонансные цепи. Заметим, что усилители звуковых частот также являются широкополосными, однако их выделяют в отдельный класс.

Узкополосные усилители работают в узкой полосе частот и делятся на резонансные и полосовые усилители. В резонансных усилителях нагрузкой служит колебательный контур, в полосовых – полосовой фильтр.

Рассмотрим схемы и частотные характеристики этих усилителей.

5.6.1. Широкополосный усилитель

На рис. 5.6 изображены схема усилителя на полевом (МДП) транзисторе с общим истоком и его эквивалентная схема.

Назначение элементов схемы усилителя:

конденсаторы Cp1 и Cp2 – разделительные, блокируют протекание посто-

янного тока, обеспечивая прохождение только переменных составляющих входного и выходного сигналов;

резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения для подачи на затвор транзистора напряжения рабочей точки;

Усилитель нагружен на параллельно соединенные сопротивление Rсн и емкость Сп. Такую нагрузку называют апериодической. Поэтому такие усилители часто называют апериодическими.

Рис. 5.6. Апериодический усилитель (а) и его эквивалентная схема (б)

Процесс усиления входного сигнала данным усилителем с использованием сток-затворной характеристики транзистора поясняется рис. 5.7.

Рис. 5.7. Графическая иллюстрация процесса усиления

При отсутствии входного напряжения (в режиме покоя) напряжение на затворе равно напряжению смещения, в цепи стока проходит ток покоя ico. На-

пряжение на стоке постоянно и равно uco Ec icoRc. Выходное напряжение равно нулю.

При поступлении на вход усилителя входного сигнала uвх(t) Esin t на затворе транзистора будет действовать напряжение uзи(t) Uзо Esin t. Ток стока начинает изменяться по синусоидальному закону ic(t) ico I0 sin t, при этом напряжение на стоке равно

uс(t) Ec ic(t)Rc Ec icoRc I0Rc sin t.

Постоянная составляющая не проходит через разделительный конденсатор Cp2, и на выходе усилительного каскада будет напряжение

uвых(t) I0Rc sin t .

При определенном значении сопротивления Rc и соответствующей крутизне сток-затворной характеристики транзистора амплитуда выходного напряжения I0Rc может превышать амплитуду входного сигнала E . Следует обратить внимание на то, что выходной сигнал в схеме с общим истоком находится в противофазе входному сигналу.

Определим частотный коэффициент передачи усилителя, пользуясь его эквивалентной схемой (см. рис. 5.6,б). На этой схеме изображена эквивалентная схема транзистора, содержащая следующие параметры:

емкость Cси (сток-исток) – межэлектродная выходная емкость транзисто-

ра;

сопротивление Rвх – входное сопротивление транзистора;

усилительные свойства транзистора отражены генератором тока SU1 с внутренним сопротивлением Ri и крутизной вольт-амперной (сток-затворной) характеристики S .

Делитель в цепи затвора представлен сопротивлением Rд, нагрузка – сопротивлением Rсн.

Анализ эквивалентной схемы усилителя позволяет записать выражение для частотного коэффициента передачи усилителя следующим образом:

стоящей из разделительной емкости Ср1 и сопротивления делителя Rд, причем

1 RдCр1 – постоянная времени входной цепи;

состоящей из паразитной емкости Сп, выходной емкости транзистора Cси и сопротивления нагрузки Rсн, причем 2 Rсн(Cси Cп) – постоянная времени выходной цепи.

При получении данного выражения учитывалось, что у полевых транзисто-

ров Rвх Rд, Ri Rсн.

Таким образом,

Здесь K0 SRсн – максимальный коэффициент усиления.

Анализ этого выражения целесообразно производить отдельно для нижних, средних и верхних частот.

Область нижних частот

В области нижних частот сопротивление емкости xc 1 C имеет большое значение по сравнению со значениями в областях средних и верхних частот. Поэтому шунтирующим действием емкостей Cси и Сп можно пренебречь и считать, что 2 1. Тогда

Область средних частот

В области средних частот шунтирующим действием емкостей Cси и Сп также можно пренебречь в силу их малости. Кроме того, необходимо учесть, что емкость конденсатора Сp1 выбирается такой, чтобы его сопротивление в

области средних частот было значительно меньше сопротивления делителя. Следовательно, в области средних частот можно не учитывать влияние входной и выходной цепей. Тогда